基于數字傾角傳感器的線(xiàn)路電子檢測尺工作原理及硬件設計

C8051F060有大量的數字資源需要通過(guò)4個(gè)低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3中的每個(gè)引腳既可定義為通用的端口I/O(GPIO)引腳，又可以分配給一個(gè)數字外設或功能(例如：UART0 或INT1)。系統設計者控制數字功能的引腳分配，只受可用引腳數的限制。這種資源分配的靈活性是通過(guò)使用優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器實(shí)現的。不管引腳被分配給一個(gè)數字外設或是作為通用 I/O，總是可以通過(guò)讀相應的數據寄存器得到端口 I/O 引腳的狀態(tài)。

優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器按優(yōu)先權順序將端口0~3的引腳分配給器件上的數位外(UART、SMBus、PCA、定時(shí)器等)。端口引腳的分配順序從P0.0開(kāi)始，可以一直分配到P3.7。當交叉開(kāi)關(guān)配置寄存器 XBR0、XBR1、XBR2和XBR3中外設的對應使能位被設置為邏輯1時(shí)，交叉開(kāi)關(guān)將端口引腳分配給外設。端口0～3中所有未被交叉開(kāi)關(guān)分配的引腳都可以作為通用I/O(GPIO)引腳，通過(guò)讀或寫(xiě)相應的端口數據寄存器訪(fǎng)問(wèn)，這是一組既可以按位尋址也可以按字節尋址的SFR。被交叉開(kāi)關(guān)分配的那些端口引腳的輸出狀態(tài)，受使用這些引腳的數字外設的控制。向端口資料寄存器(或相應的端口位)寫(xiě)入時(shí)對這些引腳的狀態(tài)沒(méi)有影響。

C8051F060單片機的P0.0引腳被配置為UART0的TX0，P0.1引腳被配置為UART0的RX0，UART0用來(lái)與數字傾角(角度)傳感器進(jìn)行通訊。UART0是一個(gè)具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。UART0 可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并支持多處理器通信。接收數據被暫存于一個(gè)保持寄存器中，這就允許UART0 在軟件尚未讀取前一個(gè)數據字節的情況下開(kāi)始接收第二個(gè)輸入數據字節。一個(gè)接收覆蓋位用于指示新的接收數據已被鎖存到接收緩沖器，而前一個(gè)接收數據尚未被讀取。對UART0的控制和訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)相關(guān)的特殊功能寄存器即串行控制寄存器(SCON0)和串行數據緩沖器(SBUF0)來(lái)實(shí)現的。用同一個(gè) SBUF0 地址可以訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀SBUF0將自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)接收寄存器，而寫(xiě) SBUF0 自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送寄存器。UART0可以工作在查詢(xún)或中斷方式，它有兩個(gè)中斷源：一個(gè)發(fā)送中斷標志 TI0(SCON0.1，數據字節發(fā)送結束時(shí)置位)和一個(gè)接收中斷標志 RI0(SCON0.0，接收完一個(gè)數據字節后置位)。

C8051F060單片機的P0.2被配置為UART1的TX1， P0.3引腳被配置為UART1的RX1， UART1用來(lái)與上位PC機進(jìn)行通訊。對UART1的控制基本與UART0相同。

C8051F060單片機的P0.4被配置為外部中斷源(/INT0)的輸入腳，接收位移傳感器的零點(diǎn)復位信號，減少由于多次來(lái)回運動(dòng)造成的累積測量誤差。/INT0被配置為下降沿觸發(fā)輸入。

C8051F060單片機的P0.5被配置為定時(shí)器/計數器 3的計數輸入腳(T3)，接收位移傳感器的位移脈沖。P0.6被配置為定時(shí)器/計數器3計數方向控制腳(T3EX)，用來(lái)判斷位移傳感器的移動(dòng)方向。C/T3位被置"1"時(shí)，將定時(shí)器配置為計數器方式(即在 T3 輸入引腳上的負跳變使計數器/定時(shí)器的寄存器加1或減 1)。定時(shí)器配置寄存器中的減 1 使能位(DCEN3)被置"1"，定時(shí)器可以向上或向下計數。當 DCEN3=1時(shí)，定時(shí)器的計數方向受 T3EX引腳上的邏輯電平的控制。當 T3EX =1 時(shí)，計數器/定時(shí)器向上計數;當T3EX=0時(shí)，計數器/定時(shí)器向下計數。T3EX必須在數字交叉開(kāi)關(guān)中被使能并且被配置為數字輸入。

位移傳感器

采用DC20型光柵尺位移傳感器作為軌距測量工具。DC20型光柵尺采用雙層防護膠條密封，可保證最佳的密封性能。讀數頭滾動(dòng)系統采用450式五軸承滾動(dòng)系統，保證光學(xué)感應系統能長(cháng)期穩定地在光柵尺上順暢滑行以及它高等級的測量精度。

位移傳感器輸出信號波形見(jiàn)圖4。

調試電路

C8051F060的片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品進(jìn)行非侵入式(不占用片內資)、全速、在系統調試。該調試系統支持觀(guān)察并修改存儲器和寄存器，支持斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、單步及行和停機命令。在使用 JTAG調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。JTAG接口使用MCU上的4個(gè)專(zhuān)用引腳(TMS、TCK、TDI、TDO)。

萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片電路

每次測量后記錄測量時(shí)間，以便在上位PC機形成報表。DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計時(shí)，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。DS1302內部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數據的RAM寄存器。采用三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節的時(shí)鐘信號或RAM數據。

DS1302與CPU的連接需要三條線(xiàn)，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。DS1302與CPU的連接如圖5所示。

EEPROM電路

測量的數據保存在EEPROM中。AT24C512是ATMEL公司推出的具有I2C總線(xiàn)容量達512Kbit(64K×8)的EEPROM，該芯片的主要特性如下：存儲容量為65536byte;與100kHz、400kHz、1MHz I2C總線(xiàn)兼容;100000次編程/擦寫(xiě)周期;單電源、讀寫(xiě)電壓為1.8V~5.5V;ESD保護電壓>4kV;數據可保存40年;寫(xiě)保護功能，當WP為高電平時(shí)，進(jìn)入寫(xiě)保護狀態(tài);CMOS低功耗技術(shù)，最大寫(xiě)入電流為3mA;128byte頁(yè)寫(xiě)入緩存器;自動(dòng)定時(shí)的寫(xiě)周期;具有8引腳DIP及20 引腳SOIC封裝等多種封裝形式。EEPROM電路見(jiàn)圖6。

RS232電平轉換電路

MAX232是單電源雙RS232發(fā)送/接受芯片，采用單一+5V電源供電，只需外接4個(gè)電容，便可構成標準的RS232通信接口。單片機和計算機、數字傾角(角度)傳感器接口電路如圖7所示。圖中的C3、C4、C5、C6是電荷泵升壓及電壓反轉部分電路，產(chǎn)生V+、V-電源供EIA電平轉換使用，C7 是VCC對地去藕電容，其值均為0.1μF。電容C3~C7安裝時(shí)必須盡量靠近MAX232芯片引腳，以提高抗干擾能力。

液晶顯示電路

JM19264A是具有192*64點(diǎn)陣的圖形點(diǎn)陣液晶模塊，它與單片機聯(lián)接構成功能強、結構簡(jiǎn)單、人機對話(huà)界面豐富的應用系統。本儀器中，單片機采用直接訪(fǎng)問(wèn)式接口電路與液晶顯示電路進(jìn)行控制。

液晶屏顯示內容及鍵盤(pán)布局

線(xiàn)路道岔電子檢測尺外部由JM19264A液晶顯示屏、RS232接口和4*4的鍵盤(pán)構成，右端是可旋轉移動(dòng)的軸，通過(guò)軸的移動(dòng)產(chǎn)生位移信號輸入單片機，單片機每隔0.5s刷新一次液晶顯示屏數據。H后的"+"號代表左端高，"-"號表示左端低。L后的"+"表示比標準值大，"-"表示比標準值小。液晶屏顯示及鍵盤(pán)布局見(jiàn)圖8。